CN114006175A - 低旁瓣电平集成腔背槽阵列天线系统 - Google Patents

Abstract

天线系统以混合共面波导和矩形波导模式操作。具有导电层的槽阵列设置在基板上，并限定了共面波导，该共面波导连结多个排列成行的侧槽，形成槽阵列。另一个基板与该基板间隔开，并且在其上限定了接地平面。限定体积波导设置在基板之间。该阵列被配置成以混合模式辐射一辐射图案，该辐射图盘由槽阵列和限定体积波导的组合产生。为了降低旁瓣电平，侧槽可以是椭圆形的。

Description

低旁瓣电平集成腔背槽阵列天线系统

技术领域

技术领域一般地涉及天线，更具体地，涉及在亚太赫兹应用(例如雷达成像)中提供降低的旁瓣损耗和改善的带宽的腔背槽阵列天线系统。

一般来说，距离、速度、方位角和其他目标属性是由雷达设备测量的。在一些应用中，例如用于车辆的雷达系统，可能希望提供表示或涉及由雷达系统检测的目标或物体的特征的信息。该信息可用于评估检测到的目标或物体。在诸如物体检测和分类的应用中，需要快速和精确的能力以立即确定接近的物体。物体的方位和俯仰是感兴趣的典型参数。接收用于处理的精确对象信息需要支持确定要求的天线，包括通过在足够宽的频率带宽上可靠地操作。

天线以图案(pattern)中辐射能量，并且该图案中在除了预期覆盖方向之外的方向上延伸的任何辐射波瓣被称为旁瓣(side lobe)。旁瓣电平(SLL)是指旁瓣和辐射图案主瓣之间的关系。较大的SLL可能导致接收不到关于目标的最佳信息，或者可能干扰准确的目标识别。因此，低SLL是所希望的，因为这意味着在不想要的方向上辐射最小的功率，而在预期的覆盖方向上辐射最大的功率。

波导槽天线是用于高频和高功率应用的天线。波导槽天线通常由封闭的波导馈电，该波导用作波传输载体来馈电所述槽。然而，具有不同水平的辐射和接地元件的封闭波导需要相当大的空间来将波传输到槽。此外，槽天线可能制造复杂，并且具有相对高的制造和组装成本。具有共面波导的印刷天线具有优点，例如外形小、重量轻、体积小、使用薄的共面馈电和接地元件、占用空间小。然而，由共面波导馈电的天线的限制之一是它们的辐射在方向方面不足。此外，管理阵列印刷天线中的SLL具有挑战性。

在波导中进行的电磁波传播的特征为具有多种波形。一种形式是横向电(TE)模式，这是一种依赖于横波的波导模式，其中波的电矢量垂直于传播方向。另一种形式是横向磁(TM)模式，其中波的磁矢量垂直于波的传播方向。第三种形式是横向电磁(TEM)模式，其中波的电矢量和磁矢量都垂直于传播方向。另一种形式是准横向电磁(quasi-TEM)模式，其特征是波具有电矢量和磁矢量的传播轴定向分量。给定的波导通常只有一个主导模式。因此，封闭波导或共面波导将仅具有TE、TM或TEM模式之一作为其主导模式。

因此，期望提供天线系统，其提供期望的性能特征，例如改善的SLL、更大的带宽和更宽的操作模式。此外，结合附图和前述技术领域和背景技术，从随后的详细描述和所附权利要求中，本发明的其他期望的特征和特性将变得显而易见。

发明内容

天线系统以混合共面波导和矩形波导模式操作。在多个实施例中，具有导电层的槽阵列设置在基板上，并限定了共面波导，该共面波导连结多个排列成行的侧槽，形成槽阵列。另一个基板与该基板间隔开，并且在其上限定了接地平面。限定体积波导设置在基板之间。该系统被配置成以混合模式辐射一辐射图案，该混合模式是槽阵列和限定体积波导的组合。为了改善旁瓣电平降低，侧槽可以是椭圆形的。

在另外的实施例中，多个导电柱将导电层接地至接地平面，并且与导电层和接地平面一起限定所述限定体积波导。

在另外的实施例中，限定体积波导是矩形的。

在另外的实施例中，多个侧槽中的每一个都是椭圆形的。

在另外的实施例中，侧槽的椭圆形形状在垂直于共面波导的方向上是伸长的。

在另外的实施例中，在共面波导和限定体积波导之间提供信号耦合。

在另外的实施例中，共面波导被配置为准TEM模式，而限定体积波导被配置为TE模式。辐射图案由准TEM模式和TE模式的混合模式产生。

在另外的实施例中，收发器模块设置在基板之间，并与共面波导和限定体积波导耦合。

在另外的实施例中，基板之一是射频印刷电路板，并且接地平面设置在射频印刷电路板上。

在另外的实施例中，雷达处理模块设置在射频印刷电路板上，并通过收发器模块与共面波导和限定体积波导耦合。

在多个附加实施例中，天线系统包括由设置在基板上的导电层限定的槽阵列。该导电层限定共面波导，该共面波导连结排列成行的多个侧槽，形成槽阵列。侧槽彼此间隔开，并且每个侧槽形成为椭圆形。接地平面被限定在另一个基板上，所述另一个基板与其上设置有槽阵列的基板间隔开。限定体积波导设置在两个基板之间。该系统被配置成以混合模式辐射一辐射图案，该混合模式由槽阵列和限定体积波导的组合产生。

在另外的实施例中，多个导电柱将导电层接地至接地平面，并且与导电层和接地平面一起限定所述限定体积波导。

在另外的实施例中，侧槽的椭圆形在垂直于共面波导的方向上是伸长的。

在另外的实施例中，在每个侧槽和共面波导之间提供过渡部。过渡部设置在椭圆形的端部附近。

在另外的实施例中，在共面波导和限定体积波导之间提供信号耦合。

在另外的实施例中，共面波导被配置为准TEM模式，而限定体积波导被配置为TE模式。辐射图案是由作为准TE模式和TE模式的组合的混合模式产生的。

在另外的实施例中，收发器模块设置在基板之间，并与共面波导和限定体积波导耦合。

在另外的实施例中，基板之一是射频印刷电路板，并且接地平面设置在射频印刷电路板上。

在另外的实施例中，雷达处理模块设置在射频印刷电路板上。雷达处理模块通过收发器模块与共面波导且与限定体积波导耦合。

在许多其他实施例中，天线系统包括由介电材料制成的基板。基板上的导电层限定了连接多个侧槽的馈电槽，这些侧槽排列成行，在导电层中形成天线阵列。侧槽彼此隔开，并且阵列设置在第一基板上。侧槽是椭圆形的。共面波导被配置为向天线阵列发射信号。射频印刷电路板基板与介电基板间隔设置。接地平面设置在射频印刷电路板基板上。多个导电柱将导电层接地到接地平面。导电层、接地平面和导电柱界定了限定体积波导。该系统被配置成从天线阵列和限定体积波导产生电磁能量的辐射图案。共面波导被配置用于准TEM模式，而限定体积波导被配置用于TE模式，并且辐射图案产生作为准TEM模式和TE模式的组合的混合模式。

附图说明

下文将结合以下附图描述示例性实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中:

图1是根据一个实施例的天线系统的功能框图；

图2是根据一个实施例的车辆中天线系统的方位覆盖的示意图；

图3是根据一个实施例的车辆中天线系统的俯仰覆盖的示意图；

图4是根据一个实施例的图1的天线系统的一部分的示意性详细图示

图5是根据一个实施例的图1的天线系统的一部分的示意性平面图；

图6是根据一个实施例的图5的天线系统的示意性侧视图；和

图7是图4的天线系统和具有非椭圆形槽的天线系统的远场比较图。

具体实施方式

以下详细描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制应用和使用。此外，不打算受前面的技术领域、背景技术、发明内容或下面的具体实施方式中提出的任何明示或暗示的理论的约束。如此处所使用的，术语模块指的是专用集成电路、电子电路、处理器(共享的、专用的或成组的)和执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适的组件。

本说明书公开了用于在非常高的频率(例如228-240GHz，用于诸如雷达成像的亚太赫兹(sub-terahertz)频率范围)下操作的天线系统的配置和实施方式。本文公开的天线架构和部件的实施例通常可以使用介电材料(例如硅)的薄插入基板，其在小封装中支持混合天线配置。在许多实施例中，天线系统有效地辐射电磁能量，用于具有有益覆盖和低SLL的辐射图案。天线辐射结构通常包括开槽层阵列和限定体积波导。限定体积波导可以是矩形的，并且可以由开槽层、多个导电柱和接地平面限定。接地平面可以位于射频印刷电路板(RF-PCB)上，该电路板可以包含附加的集成电路和电子部件。馈线将收发器(Tx、Rx芯片)直接连接到天线，以发送和接收来自射频集成电路的输入/输出。共面波导到开槽阵列的过渡部用于激励阵列，并且在共面波导和矩形波导之间提供信号耦合用于双重激励。混合辐射系统的设计有利地产生高功率辐射信号。该系统的伸长特性在俯仰(elevation)方面产生相对窄的波束宽度，在方位(azimuth)方面产生相对宽的波束宽度。在许多实施例中，多个天线，例如三个或四个，可以在方位方向上排列，以提供窄波束和波束扫描能力。提供多个天线，每个天线都有窄波束，这提供更好的扫描分辨率。在其他应用中，天线可以被定制为对应于感兴趣的视野范围的不同波束宽度。在许多实施例中，天线系统在12GHz带宽上提供低SLL，并且在紧凑、低成本的架构中提供期望的辐射图案。

参考图1，用于雷达应用的天线系统100的功能框图包括提供发射(Tx)和接收(Rx)功能的收发器模块102。收发器模块102与背腔槽阵列(CBSA)天线模块104耦合，背腔槽阵列(CBSA)天线模块104模块包括具有共面波导106和矩形波导形式的限定体积波导108的发射/接收天线结构。信号耦合110被提供在共面波导106和波导108之间，并且存在混合模式配置的辐射。根据下面进一步描述的特征，天线模块104被配置为辐射112和接收114电磁能量。在传输中，天线模块104从收发器模块102接收信号，并辐射112射频信号。在接收114中，天线模块104检测来自潜在目标的任何反射，并将信号传递给收发器模块102。在当前实施例中，收发器模块102直接与天线模块104耦合。

雷达处理模块116通过物理信号耦合118与收发器模块102接口，如下文进一步描述的。在一些实施例中，处理器和收发器功能可以在同一芯片上。在当前实施例中，处理模块116包括处理器，该处理器向收发器模块102发送控制信号、处理接收到的信号以识别目标及其属性，并且可以通过车辆接口物理层119充当与其他控制器(诸如车辆的电子控制单元)的接口。例如，处理模块116可以接收关于反射的数据、将它们与传输的信号进行比较，并确定目标的距离、角度和速度。在当前实施例中，收发器模块102是用于期望的GHz频带的独立调频连续波收发器单芯片解决方案。其他实施例可以采用单独的发射器和接收器设备。在当前实施例中，收发器模块102包含包括功率放大器、低噪声放大器、移相器、开关、滤波器、DC偏置等的电路，用于操作和连接天线模块104。收发器模块102可以向雷达处理模块116和从雷达处理模块116传送通信数据，数据从所述雷达处理模块116转而被传送到天线模块104和被从天线模块104传送。在当前实施例中，收发器模块102包含在单个芯片上，并且可以实现为单片微波集成电路(MMIC)芯片。

参考图2和3，天线系统100可以应用于车辆120以覆盖特定区域，在该示例中覆盖车辆120前方的区域。应当理解，可以包括附加的天线和/或天线系统，以便例如提供具有不同距离的雷达，例如长距离和中距离。额外的雷达可用于检测多个方向上的目标，例如在车辆120的侧面和/或车辆120的后部。雷达物理辐射可以是三维的，但是出于本公开的目的，由水平(方位)和垂直(俯仰)辐射图案来表示。

天线系统100的辐射图案取决于天线模块104的结构，如下面进一步描述的，以及它的安装，在这个例子中安装在车辆120上。图2描绘了雷达在方位平面124中的波束宽度122，假设雷达在车辆120的前保险杠处。在一些实施例中，可以排列多个天线，例如三个或四个，并且可以定制波束宽度以覆盖道路车道126，并且这样将具有大约±15度或总共30度的视角123，同时避免检测相邻车道130中的车辆。在其他实施例中，针对应用选择视场。图3描绘了垂直平面134中雷达的波束宽度132。在垂直平面134中，覆盖范围可以更窄，例如±5度或总共10度。

参考图4，天线系统100的结构示意性地以横截面示出。天线系统100包括连接雷达集成电路的集成组件，包括位于射频印刷电路板(RF-PCB)140上的雷达处理模块116。插入组件142通过导电柱安装在RF-PCB 140上，在该实施例中，导电柱是铜柱144。铜柱从插入基板146延伸到RF-PCB 140上的导体。在该实施例中，导体包括接地平面148和导电贴片150，并且插入基板146包括电介质，特别是硅。RF-PCB 140具有印刷或以其他方式沉积或施加到基板156的其表面152上的金属层，该金属层用作包括接地平面148和导电贴片150的导体，所述导电贴片150提供雷达处理模块116和收发器模块102/天线模块104之间的连接。铜柱144在与RF-PCB 140的接地平面148隔开的位置支撑插入基板146并将其接地。插入基板146的表面154在硅上方没有任何附加层，并且在该实施例中没有电子元件，否则这些电子元件将需要穿过插入基板146耦合，从而限制复杂度。阵列天线层158由导电材料限定，并设置在插入基板146的面向接地平面148的表面160上。阵列天线层158包含共面波导106。避免了对穿过插入基板146的结构的任何需要(否则所述结构将被用于与表面154处的电子元件耦合)，因为它是净的(clear)。

在插入基板146的面向接地平面148的表面160上，再分布层162包括导电材料164，所述导电材料由诸如金属的物质制成，在该实施例中为铜，所述导电材料被印刷或以其他方式施加在表面160上。再分布层162为CBSA天线模块104提供了从收发器模块102到导电馈电的过渡。

收发器模块102通过过渡部166、168与再分布层162连接，特别是从再分布层162连接。通过过渡部166、168提供从收发器模块102到天线模块104的低损耗馈电发射，用于有效激励。天线系统100的结构示出了，馈电通过收发器模块102连接，收发器模块102有效地位于RF-PCB 140的基板156和插入基板146之间。天线馈电可以与收发器模块102和阵列天线层158位于插入基板146的相同表面160上。结果，从成本和制造复杂性的角度来看，所示实施例是有利的。

波导108形式的空气腔形成在插入基板146和RF-PCB基板156之间。具体地，波导108具有由阵列天线层158、接地平面148和铜柱144限定和界定的体积。这样，波导108的形状是矩形的。在其他实施例中，可以使用波导108的其他形状。

处理模块116通过RF-PCB 140通信，插入组件142包括插入基板146和收发器模块102，具有合适的传输线连接。天线系统100使得来自处理模块116的发射信号能够通过收发器模块102与天线模块104连接。在接收中，天线模块104收集输入信号，该输入信号由收发器模块102发送到处理模块116。当与具有下述几何形状的天线耦合时，这种结构以适用的操作频率提供紧凑的封装和期望的RF性能。应当理解，天线系统的操作频率可以是在诸如12千兆赫的带宽上，例如228-240千兆赫。

天线系统100的部件在图5和6中更详细地示出，具体示出了阵列天线层158和波导108的细节。天线阵列170是槽型阵列，并且被限定在阵列天线层158中。天线阵列170包括导电层172，在该实施例中为铜材料，设置在基板174的整个或基本整个表面上。导电层可以与图4的再分布层同延(coextensive)。天线阵列170作为行波阵列被配置为用于宽带宽和低损耗。天线阵列170包括由共面波导106馈电的多个侧槽176。共面波导106的两个馈电槽178、180完全穿过导电层172的厚度形成，并且从馈电端182延伸一段长度到相对端184，并且在端184处连结在一起。馈电槽178、180彼此平行，并且被限定在导电信号线186的相对侧上，并且被限定在120μm的间隙188上。

馈电槽178、180与几个侧槽176连结，侧槽176沿着天线阵列170成对布置，在这种情况下，总共八对16个槽。在其他实施例中，可以使用不同数量的侧槽176来实现期望的覆盖和分辨率。例如，沿着天线阵列170的长度增加额外的侧槽对可以增加分辨率。天线阵列170的辐射元件是侧槽176，每个侧槽都直接耦合到馈电槽178、180之一，以接收传播的波。侧槽176单独辐射，并且由于它们的阵列配置，所有元件的辐射相加以形成天线阵列的辐射束，该辐射束具有高增益和高方向性，损耗最小。天线性能是天线阵列170的结构的函数。在当前实施例中，侧槽176为椭圆形，其长尺寸相对于馈电槽178、180以90度横向延伸，这已被发现有利于SLL减小。侧槽176和馈电槽178、180之间的过渡部191被限定在椭圆形状的窄端193附近，与用于有效信号馈电的椭圆形状的伸长侧195相对。侧槽176具有555μm的均匀间距190，每对对齐的侧槽176的长度192为641μm，宽度194为140μm，以获得228-240GHz的最佳性能。

如图6所示，铜柱144从导电层172延伸到接地平面148。波导108的腔196设置在导电层172和接地平面148之间，并由铜柱144界定。铜柱144围绕天线阵列170，并且具有一高度，以将波导108的高度198限定为75μm。铜柱144以641μm的宽度200定位，该宽度与槽长度192一致，以减少波泄漏。共面波导106和波导108通过共面波导过渡部202的接地-信号-接地馈电而与收发器模块耦合。

椭圆形侧槽176、共面波导106和波导108的组合提供了有效的、低SLL、强辐射图案、亚太赫兹CBSA天线。侧槽176的椭圆形状支持有益的辐射图案，该辐射图案在与来自信号耦合波导108的辐射耦合时，在阵列天线层158处产生电场辐射图案，该电场辐射图案基本上横向延伸穿过侧槽长度192和柱宽度200的641μm距离。通过使用椭圆形侧槽176，与非椭圆形槽相比，混合传输模式得到增强，SLL得到显著改善。共面波导过渡部202用于与收发器模块102连接，并且是信号流的主要传输线。波导108防止背侧辐射，并且它的传输模式与共面波导模式相结合形成混合模式，所述混合模式也改善SLL。在240千兆赫，CBSA天线模块已被发现将整体SLL改善33％。图7中示出了示例的减少，其中，与曲线212相比，通过曲线210示出了具有减少的SLL的大约30度的有效覆盖。曲线210的实线用于具有椭圆形侧槽176的天线系统100，而曲线212的虚线用于没有椭圆形侧槽(拐角侧槽216)并且在共面波导和矩形波导之间没有信号耦合的天线系统。特别地，旁瓣214显著减小，这提高了检测精度。通过使用椭圆形侧槽176以及由波导108支撑的天线阵列170，传递了混合传输模式，该混合模式是来自共面波导106的准TEM模式和来自波导108的TE透射模式的组合。混合模式改善了较高频率边缘的SLL，从而增加了带宽。

根据本文描述的实施例，为包括雷达成像在内的应用提供在228-240GHz频率范围操作的天线配置。该天线系统在混合布置中使用共面波导馈电槽辐射器和矩形波导辐射器。这种结构提供了理想的性能特征，并简化了制造和组装。这些实施例可用于覆盖多个区域，例如车辆周边。馈电过渡部相对直接地连接到发射和接收元件。已经发现，具有椭圆形槽的辐射元件的设计导致出乎意料的强辐射图案和SLL降低。

虽然在前面的详细描述中已经给出了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变化。还应当理解，一个或多个示例性实施例仅是示例，并不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供实现一个或多个示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离所附权利要求及其合法等同物中阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (10)

1.一种天线系统，包括:

第一基板；

槽阵列，由设置在第一基板上的导电层限定，其中共面波导连结排列成行的多个侧槽，形成槽阵列；

与第一基板间隔开的第二基板；

限定在第二基板上的接地平面；和

设置在第一基板和第二基板之间的限定体积波导，

其中所述系统被配置成从所述槽阵列和所述限定体积波导的组合以混合模式辐射一辐射图案。

2.根据权利要求1所述的系统，包括多个导电柱，所述多个导电柱将所述导电层接地至所述接地平面，并且与所述导电层和所述接地平面一起限定所述限定体积波导。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述限定体积波导是矩形的。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个侧槽中的每一个都是椭圆形的。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述侧槽的椭圆形形状在垂直于所述共面波导的方向上是伸长的。

6.根据权利要求1所述的系统，包括共面波导和限定体积波导之间的信号耦合。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述共面波导被配置用于准横向电磁(准-TEM)模式，并且所述限定体积波导被配置用于横向电(TE)模式，并且所述辐射图案由所述混合模式产生，所述混合模式为所述准横向电磁模式和所述横向电模式的组合。

8.根据权利要求1所述的系统，包括设置在所述第一基板和所述第二基板之间的收发器模块，所述收发器模块与所述共面波导且与所述限定体积波导耦合。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二基板包括射频印刷电路板，其中所述接地平面设置在所述射频印刷电路板上。

10.根据权利要求9所述的系统，包括设置在所述射频印刷电路板上的雷达处理模块，所述雷达处理模块通过所述收发器模块与所述共面波导且与所述限定体积波导耦合。

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